电力设备状态监测是一个信息平台,其系统结构和功能,我们从通信和接口的角度来研究。其具体的过程为:首先通过过程层中的智能传感器装置采集电力设备的实时状态数据,然后经过间隔层、站级层最终到达状态监测集成监控平台,供系统人员监测使用。
2 实时通信的研究
2.1 电力设备状态监测系统的通信标准
1. 分布、分层体系:IEC61850将变电站通信体系分为:变电站层、间隔层和过程层3层。我们将此标准扩展到电力设备状态监测系统,此系统分为四层:监测中心层、站级层、间隔层、过程层。
2. 信息模型与通信协议栈的分离:IEC61850设计了抽象通信服务接口ACSI,使信息模型独立于具体网络的通信协议栈。
3. 面向对象、面向应用的自描述机制:IEC61850对于信息采用面向对象自描述的方法,配置模型均带有自我描述信息,这样方便我们有新的电力设备(IED)接入系统时,监测系统能够通过IED的配置文件自动获取配置信息,以建立或更新数据库。
我们采用IEC61850中的通信结构作为此系统的通信结构。IEC61850 变电站通信网络和系统的目的是实现有不同供货商提供的IED之间的互操作,从而实现不同厂家电力设备的集中监测和实时数据及时通信。IEC61850定义了信息交换的服务,服务接口采用了抽象的方法,即抽象通信服务接口ACSI,采用抽象建模的好处是使标准独立于具体的实现技术和下层通信,提供了通过虚拟镜像访问真实设备和真实数据的途径。ACSI提供两种抽象接口 。A.抽象接口用以描述客户和远方服务器之间通信,它用于实时的数据访问和检索,控制设备;时间报告和日志,发布者/订户;设备的自我描述(设备数据字典);数据选型和新出现的数据类型;文件传输。B抽象接口用于一个设备中格的应用和不同设备中多个多方应用之间的快捷和可靠的系统范围事件分配(发布者/订户)以及采样值传输(发布者/订户)。本文重点研究A类。
2.2 ACSI通过SCSM映射到通信协议上的通信
(1)ACSI的服务过程如下:
采用面向对象技术,用类来抽象描述服务,每个服务为一个类的实例。在类中,每个实例拥有自己独特的状态机,用来维护其状态转换表。状态机依据状态转换表及服务响应决定自身行为,是提出新的服务请求抑或转换到一个新的状态。一个服务的全过程是这样的,实例在创建后,状态机进入初始态,经过过程中的一系列状态转换,进入终止态,即实例将销毁。在服务完成的过程中,通过API实现与实时数据库的数据交换及命名空间的转换。
抽象服务通过在类的实例与具体的特殊服务映射进程间的消息传递来实现接口。依照标准7一2部分的定义,建立标准的消息结构,不同的特殊服务映射对其有不同的解释,实现了从抽象到具体的映射。
根据ACSI的服务过程我们建立监视服务过程,当所监视的电力设备的状态改变时,我们发出事件报告。
(2)MMS的介绍
它将网络上通信的两个节点之间的关系定义为网络应用和设备间的客户/服务器关系。服务器是一个包含VMD以及其对象的应用或设备。客户是一个网络化应用(或设备),询问来自服务器的数据和服务器发出命令。可以说,客户是一个执行MMS服务请求到服务器的网络实体即本系统中的状态监测进程;服务器是一个响应客户的MMS请求的网络实体。本系统中为IED智能电子设备服务器。MMS的通信服务流程可以划分为2两种类型,带确认的服务类型和不待确认的服务类型。
MMS带确认的服务流程
1. 客户发送一个请求;
2. 服务器接收到一个指示;
3. 服务器执行相关动作;
4. 如果动作执行成功服务器发送肯定回答,如果出错发送否定回答;
5. 客户收到确认肯定或否定回答;
不确认的服务:一个服务器发送的不确认服务仅有请求和指示服务原语。
我们采用客户服务器信息模型,通过特殊通信服务映射映射到制造报文规范MMS上,其中IEC61850中对象服务器,逻辑设备,逻辑节点等映射到MMS中的对象虚拟制造设备,有名变量,以及有名变量列表,而IEC61850中服务和MMS的服务对应关系如表1。
3 通信过程
MMS的客户/服务器相互交互是通过在网络上发送/接受请求、指示、响应和确定服务原语,其原语的描述我们采用抽象语法标记语言进行描述。描述格式如下:
MMSpdu::=CHOICE
{
confirmed-RequestPDU[0]IMPLICIT confirmed-RequestPDU,
……
Conclude-ErrorPDU [13]IMPLICIT Conclude-ErrorPDU
}
第一个字段代表该PDU的名字,第二个字段,表示是该PDU的标记TAG,第三个字段表示类型。当我们用ASN.1描述完成后,由于ASN.1作为一种高级抽象描述的标记语言,ASN.1是在一种高度抽象的层次上来表示数据结构信息,各种应用程序一般不容易直接对其进行操作和使用,这就需要在计算机内部对这些结构化信息进行翻译翻译转化,即需要下载一个ASN.1编译器将ASN.1编码转化为C/C++结构编解码函数,这样才能够在计算机软件中对数据结构进行操作。ASN.1编译器是一个很重要的辅助开发工具,它能将ASN.1描述的数据结构翻译成某种计算机编程的数据结构,并为各种数据类型自动生成编解码函数,可以极大的加快协议软件的开发过程,然后通过BER编码将其转变为比特流在网络上进行传输。其中BER的编码规则如下:
BER以8bit为一个传送单位。对于每个所传送的值,无论是基本类型还是构造类型,都有TLV字段组成。BER编码的具体格式如下图所示(具体实现有待进一步研究)
转化为比特流后,我们就可以应用Socket通信机制来实现。
客户端行为:
创建客户端套接字,然后向服务器发出链接请求,当服务器接收连接请求后和服务器端进行通信,当此应用进程完毕,关闭此套接字。
其中基于ACSI的电力设备状态监测通信中应用MMS的通信的过程如图3:
总结:
IEC61850标准是基于网络通信平台的变电站自动化系统的唯一国际标准,它有多方面的优点,以至于从它一开始就受到了各界的关注,其中最为重要的就是可扩展,可从变电站系统扩展到整个电力系统中,适用于我们整个的电力设备状态监测系统中来,其中系统中的通信我们应用了将ACSI服务通过特殊通信服务映射映射到制造报文规范上来,其中应用层协议的协议数据单元我们应用ASN语言来进行描述,传输语法我们应用BER基本编码规范进行编码以便于socket通信的传送。